JPS6362281A - 弾性表面波コンボルバ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は圧電膜と半導体で構成されるモノリシック弾性
表面波コンボルバ（以下本明細書においてはＳＡＷ　コ
ンボルバと略称する。）の構造に関する。

Ｂ１発明の概要 高濃度半導体基板上に圧電膜を設けて形成される　ＳＡ
Ｗコンボルバにおいて、上記半導体装置上にエピタキシ
ャル膜を設けその上に圧電膜を形成するのが有利である
ことが知られている。本発明者等の知見によれば、上記
エピタキシャル膜の膜厚がコンボリューション効率（以
下本明細書においては　ＦＴと略記する。）に重大な影
響を及ぼす。本発明はその膜厚およびエピタキシャル膜
の不純物濃度を定める。

Ｃ０従来の技術 第１４図および第１５図は二つの異なった従来のモノリ
シックコンボルバの構造を示す断面図で、図中、１　は
高濃度半導体基板、２は絶縁体、３は圧電膜、４．４’
は入力、５，５′は櫛形電極、６　は出力、７　は裏面
電極、８　はゲート電極、９　は半導体エピタキシャル
膜を表す。

第１４図に示されている装置と第１５図の違いは、半導
体側の構造の違いにある。第１４図では半導体としてバ
ルクの半導体基板が用いられているのに対し、第１５図
では、高濃度半導体基板（不純物密度が高密度である基
板）の上に半導体エピタキシャル膜を形成した基板を用
いているのが特徴である。これらの構造のコンボルバの
諸特性については以下に示す参考文献［１］〜［４］に
報告されている。

文＃Ｃ１］ Ｂ、Ｔ、Ｋｈｕｒｉ　−Ｙａｋｕｂ　ａｎｄ　Ｇ、Ｓ、
Ｋｉｎ。

”　Ａ　Ｄｅｔａｉｌｅｄ　Ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｔｈ
ｅ　Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ　ＺｉｎｃＯｘｉｄｅ　ｏｎ
　５ｉｌｉｃｏｎ　Ｃｏｎｖｏｌｖｅｒ　”。

ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　、　５ｏｎｉｃｓ　Ｕｌｔｒａ
ｓｏｎ、、　ｖｏｌ、ｓＵ　−２４゜Ｎｏ、１．　Ｊａ
ｎｕａｒｙ　１９７７、　ｐｐ、　３４−４３文献［２
コ Ｊ、に、　Ｅｌｌｉｏｔｔ、　ａｔ　ａｌ。

”　Ａ　Ｗｉｄｅｂａｎｄ　ＳＡＷ　ｃｏｎｖｏｌｖｅ
ｒ　ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ　Ｓｅｚａｗａｗａｖｅｓ　ｉ
ｎ　ｔｈｅ　ｍｅｔａｌ　−ＺｎＯ−ＳｉＯ２−　Ｓｉ
ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　”。

Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　３２．　Ｍａｙ
　１９７ｇ、　ｐｐ、５１５−５１６１６文献］ Ｊ、Ｅ＋Ｂｏｖｅｒｓ、　ｅｔ　ａｌ。

”　Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ　Ｓｅｚａｗａ　ｗａｖｅ　
Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｃｏｒｒｅｌａｔｏｒｓａｎｄ　Ｃｏ
ｎｖｏｌｖｅｒｓ”。

ＩＥＥＥ　Ｐｒｏｃ、　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　Ｓｙ
ｍｐｏｓｉｕｍ、　１９８０．　ｐｐ。

１１ｇ　　−１２３ 文献［４コ Ｓ、Ｍｉｎａｇａｗａ、　ａｔ　ａｌ。

“Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　　ＺｎＯ−ＳｉＯ２−　Ｓｉ　
５ｅｚａｖａ　ｗａｖｅｃｏｎｖｏＬｖｅｒ”。

ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　、　５ｏｎｉｃｓ　Ｕｌｔｒａ
ｓｏｎ、、　ｖｏｌ、ｓＵ　−３２゜Ｎｏ、５．　Ｓｅ
ｐｔｅｍｂｅｒ　１９８５．　ｐｐ、　６７０−６７４
７４文献］、［２］、［３］では、第１４図の構造のコ
ンボルバの特性を報告しており１文献［４コでは第１５
図の構造のコンボルバの特性を報告している。

それらの報告を比較してもわかるように、これまでの実
験によると、第１４図の構造におけるよりも第１５図の
構造においてより高い値となる傾向がある。その点では
、第１５図のようにエピタキシャル膜を含む基板を用い
た方が、コンボルバとしてより有利である可能性がある
。しかしながら、これまで理論的にも実験的にも詳細な
検討はなされていない。したがって現在のところ、エピ
タキシャル膜の最適条件については明らかにされておら
ず、それ故、最適構造を有するコンボルバが提供されて
いないのが現状である。

Ｄ０発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、このような現状を克服するために、半
導体エピタキシャル膜の効果を詳細に検討し、その効果
を考慮した、最適な構造を有するＳＡＷ　コンボルバを
提供することである。

具体的には、本発明は、第１５図の構造において、半導
体エピタキシャル膜の膜厚と不純物密度を最適に設定し
たコンボルバを提供する。

Ｅ１問題点を解決するための手段 上記目的を達成するために、本発明による圧電膜／絶縁
体／半導体エピタキシャル膜／高濃度半導体基板購造を
有するモノリシック　ＳＡＷコンボルバにおいては、半
導体エピタキシャル膜の膓厚りは、下記の範囲に設定さ
れる。

Ｗ、、、　＜　Ｌ≦Ｗｍａｘ　＋　２　ｐｍここでＷ□
８は最大空乏幅であり、次式で与えられる。

Ｎ　：エピタキシャル膜の不純物密度、ｎ！：エピタキ
シャル膜の真性キャリア密度、εＳ二エピタキシャル膜
の誘電率。

ｋ　：ボルツマン定数、 ｅ　：電子の電荷、 Ｔ　：絶対温度。

上記半導体は、有利には、　Ｓｉであり、かつ上記エピ
タキシャル膜の不純物密度Ｎは下記の範囲にある。

Ｉ　　Ｘ　　１０”　ａｎ−’　≦Ｎ≦　Ｉ　　Ｘ　　
１０１０１６ａ”モノリシックＳＡＷ　コンボルバが、
圧電膜／絶縁体／第２半導体層／第１半導体層／高濃度
半導体基板構造を有するときは１、第２半導体層と第１
半導体層は半導体エピタキシャル膜であり、かつ互に反
対導電型であり、半導体エピタキシャルかの膜厚Ｌ　が
下記の範囲にある。

１２＜ＬＳＩ　２　＋　Ｗｍ　＋　２　μｍここで　１
２は第２半導体層の層厚であり、Ｗｍは次式で与えられ
る。

Ｎ、：第１半導体層の不純物密度、 ｎ□：第１半導体層の真性キャリア密度、εＳ：第１半
導体層の誘電率、 ｋ　：ボルツマン定数、 ｅ　：電子の電荷の大きさ、 Ｔ　：絶対温度。

上記半導体は、有利には、　ＳＬであり、かつ上記エピ
タキシャル膜の不純物密度Ｎは下記の範囲にある。

Ｉ　Ｘ　　ｌ　０１３ａｎ−”　≦Ｎ□≦　Ｉ　　Ｘ　
　１０１６ａｍ−”上記半導体はＧ　ａ　Ａ　ｓである
こともできる。上記絶縁体は実質上存在しないこともで
きるが。

ＳｉＯ２で形成されることもできる。上記圧電膜は　Ｚ
ｎＯかまたはＡｌＮであり、弾性表面波の伝播モードは
セザワ波であるのが有利である。

Ｓｉの面方位は（１１０）であり、弾性表面波の伝播方
向が［１００］であるか、またはＳｉの面方位が（１０
０）であり、弾性表面波の伝播方向は［１１０］である
。

Ｆ０作用 第１図は第１５図のゲート電極の下の部分を拡大して示
す。図中、第１５図と共通する引用番号は第１５図にお
けるものと同じか、またはそれに対応する部分を表わし
、１０　は空乏端、１１　は最大空乏端であり、Ｎａは
エピタキシャル膜のドナー密度、Ｎ、はエピタキシャル
膜のアクセプタ密度、Ｌはエピタキシャル膜の膜厚、ｗ
　、ｌ１ａｘは最大空乏幅、Ｗは空乏幅、ｈ　は圧電膜
の膜厚、ｆ　は弾性表面波（ＳＡＷ）の周波数、λはＳ
ＡＷの波長、　　ＶＢはバイアス電圧を意味する。

このとき、半導体エピタキシャル膜の膜厚りおよび不純
物密度Ｎはつぎのように定められる。

（Ａ）半導体エピタキシャル膜の膜厚りは、エピタキシ
ャル膜の不純物密度（ｎ型半導体の場合はドナー密度Ｎ
ｄ＋Ｐ　型半導体の場合はアクセプタ密度Ｎ、）で決ま
る最大空乏幅ｗ　ｗｌａｘに対し、つぎのような値に設
定される。

Ｗｍａｘ　＜　Ｌ≦Ｗｍａｘ　＋　２　μｍ　＋＋＋　
（１）。

ただし、ＷｍａＸは室温（２３℃）における最大空乏幅
とする。また、Ｌ　とＷＴｈａＸの単位はμｍとする。

Ｗ０８は次式で与えられる。

ここで、Ｎはエピタキシャル膜の不純物密度であり、エ
ピタキシャル膜がｎ型半導体の場合には、ドナー密度Ｎ
ｄと等しく、エピタキシャル膜がＰ　型半導体の場合は
アクセプタ密度Ｎ１に等しい。また、Ｔは絶対温度であ
り、次の値とする。

Ｔ＝２９６　　　　（Ｋ）　　　　　　　・・・・・・
　（３）その他のパラメータは ｎＩ：　半導体層の真性キャリア密度、εＳ二　半導体
層のｖＩ誘電率 ｋ　：　ボルツマン定数。

ｅ　：　電子の電荷 である。

特に、半導体として　Ｓｉを用いる場合には、エピタキ
シャル膜の膜厚の条件に加えて、以下のように不純物密
度を設定することが望ましい。

（Ｂ）半導体として　Ｓｉを用いた時、エピタキシャル
膜の膜厚Ｌ　を式（１）を満足するように選び、さらに
不純物密度Ｎを次式の範囲内に選ぶ。

Ｉ　Ｘ　１０１３　ａｎ−３≦Ｎ≦Ｉ　Ｘ　１０１６ｃ
ｘｎ−’−（４）ここで、参考のために、Ｓｉの最大空
乏幅Ｗ□つと不純物密度の関係を第２図に示す。図では
ｎ型Ｓｉを示しであるが、　Ｐ型Ｓｉの場合にも。

Ｎ　をドナー密度のかわりにアクセプタ密度とすれば、
まったく同様の関係となる。第２図と式（１）より、Ｓ
ｉの場合のエピタキシャル膜の膜厚の望ましい値の例は
、 Ｎ　＝　　ｌＸｌ０”■４のとき。

２．４　　μｍ　＜　Ｌ　≦４．４　　ｐｍＮ　＝　　
ｌＸｌ０１５■−３のとき、０．９μｍ＜Ｌ≦２．９　
μｍ のような値となる。

本発明において、第１５図のエピタキシャル膜の条件を
（Ａ）および（Ｂ）のように設定する理由を、以下に説
明する。

コンボルバの　ＦＴは次式で表すことができる。

ＦＴ　＝　２０　ｌｏｇ　７２−１０　ｌｏｇ　ｆｌａ
−αＬｇ　−３０＋Ｌｅ　　・・・・・・・・・・・・
（５）ここで、γ２は非線型効率、Ｒａはコンボルバの
ゲート部の出力抵抗、α　はＳＡＷの伝播損失、Ｌｇは
ゲート長である。Ｌｅはエピタキシャル膜の条件とは無
関係に定まる項であり、電気機械結合定数、トランスデ
ユーサロス、圧電膜の膜厚や誘電率、　ＳＡＷの周波数
や波長等の影響を受ける。ここではＬｅはエピタキシャ
ル膜の膜厚の効果と無関係なので、その表式については
省略する。なお、　ＦＴ　　（ｄａｍ　）は二つの入力
　ｐＨとＰ＋□、および出力　Ｐ。に対し、次式のよう
に定義される。

Ｆ丁＝ｐＯ−ｐローＰＩ２ （Ｐａｔ　ｌ　ＰＩ３　＋　ｐ、の単位はｄＢ、　）非
線型定数γ２は、コンボルバの半導体表面が空乏状態な
いし反転状態の時は、エピタキシャル膜の不純物密度Ｎ
に対し、次の関係を持つ。

γ２ＣＣ□　　　　・・・・・・・・・・・・（６）Ｆ
Ｔは、半導体表面が空乏乃至弱反転の状態の時に大きな
値となるから、コンボルバの動作状態では式（６）が成
立すると考えてよい。ただし。

式（６）は、エピタキシャル膜の膜厚りが空乏幅Ｗより
大きい時に成立する式である。　Ｌ　くＷならば、第１
図において、空乏端がエピタキシャル膜と高濃度半導体
基板の界面にくっつき（パンチスルー）、空乏端の振動
が阻止されることが明らかであろう。そのような場合に
は、非線型定数７２は急激に低下し、もはや式（６）の
ようには表わされない。また、その場合、　γ２の低下
に伴って１式（５）の関係から　ＦＴも大きく低下する
。したがって、まずエピタキシャル膜の膜厚の条件とし
て次の関係を満足する必要がある。

Ｗ＜Ｌ　　　　　・・・・・・・・・・・・・・（７）
空乏幅Ｗはゲート電極に印加されるバイアス電圧Ｖａに
よって変化するが、第１図に示したように、最大空乏幅
Ｗ０つ以上にはならない。

したがって、実際上、式（７）を常に満足するためには
、エピタキシャル膜の膜厚りは最大空乏幅より大きくと
る必要がある。

Ｗ□つくＬ　　　・・・・・・・・・・・・・・・（８
）式（１）の下限が定まる理由の一つはこの点にある。

次にエピタキシャル膜の膜厚しの上限を式（１）のよう
に設定した理由を説明する。

Ｌ　が式（８）を満足するとき、非線型定数γ２は式（
６）で表わされ、エピタキシャル膜の膜厚Ｌ　に無関係
となる。したがって、ＦＴに対し、エピタキシャル膜の
膜厚しの効果を与えるのは。

式（５）においてコンボルバの出力抵抗ＲＢと、ＳＡＷ
の伝播損失　α　の項である。式（５）から次のことが
わかる。

（ｉ）　　Ｆ□は抵抗Ｒ９が小さいほど大きい。

（ｉｉ）　　Ｆ’Ｔは伝播損失が小さいほど大きい。

（ｉ）の効果に関し、ＲＢは第１４図のように半導体バ
ルク基板を用いる場合よりも第１５図のように半導体エ
ピタキシャル基板を用いる場合の方が小さくすることが
できる。それは、エピタキシャル膜の下の高濃度半導体
基板の抵抗が極めて小さいからである。したがって、こ
の点では、エピタキシャル基板を用いた方がバルク基板
を用いた場合より有利である。この効果については文献
［１］および文献［４］においても示唆されている。し
かし、実際上、エピタキシャル膜の抵抗は、ある程度の
膜厚以下に選択すれば、　ＦＴに対し。

殆ど影響を与えない。−例として、ｎ型の　Ｓｉを用い
る場合にエピタキシャル膜の膜厚をＬ　＝　Ｗ、、Ｘ　
　および　Ｌ　＝　Ｗｍ、！＋　２μｍに設定した場合
のＲＢと、式（５）で計算される　ＦＴの変化ΔＦ丁の
数値例を第１表に示す。

第　　１　　表 ただし、ゲート幅　１ｍｍ、ゲート長２０　ｍｍとし。

高濃度半導体基板の抵抗とボンディングワイヤの抵抗と
オーミック抵抗の和を　１Ω　とした。またΔＦｔは式
（５）のうち、ＲＢ項の影響だけを計算したものである
。しかし、後述するように、実際の　ＦＴはエピタキシ
ャル膜の膜厚が２μｍ程度変わっても、数ｄＢ以上の変
化をすることが観測さ九ている。したがって、Ｆ丁に与
えるエピタキシャル膜の膜厚の効果は、Ｒｅよりも寧ろ
伝播損失αの影響の方が支配的である。

本発明者等は、伝播損失　α　のエピタキシャル膜の膜
厚に対する依存性を詳細に検討した結果。

その依存性の　Ｆ丁に与える影響が顕著であることを見
出し、エピタキシャル膜の膜厚に関して望ましい条件を
見出した。この伝播損失のエピタキシャル膜の膜厚依存
性はこれまで知られておらず、したがってそれを基にし
て設定したエピタキシャル膜の膜厚の条件は、本発明に
おいて初めて提供されるものである。

Ｇ、実施例 以下に、図面を参照しながら、実施例を用いて本発明を
一層詳細に説明するが、それらは例示に過ぎず、本発明
の枠を越えることなしにいろいろな変形や改良があり得
ることは勿論である。

第３図は、ＺｎＯ／ＳｉＯ２／ｎ−５ｉ構造のコンボル
バを伝播する弾性表面波（ＳＡＷ）の伝播損失のエピタ
キシャル膜の膜厚に対する依存性の一例を示す。図の横
軸は、エピタキシャル膜の膜厚と最大空乏幅の差を示し
、縦軸は伝播損失（ｄＢ　／ｃ＋ｕ　）を示す。第３図
はＳＡＷの周波数ｆ　　＝　　１１５　Ｍ亀、ＳＡＷの
波長λ　２２４μｍ、圧電膜（ＺｎＯ）の膜厚ｈ＝５μ
ｍの時の例であり、この場合における　ＳＡＷ　の伝播
モードはセザワ波である。

図中の　Ｎｄはドナー密度である。この伝播損失はＦ丁
が最大となるようなバイアス電圧Ｖａをゲート電極に印
加した時の値である。図のように伝播損失は不純物密度
の影響を受けると同時にエピタキシャル膜の膜厚の影響
を大きく受けることがわかる。伝播損失はエピタキシャ
ル膜が厚くなるほど大きくなるが、エピタキシャル膜の
膜厚が２μｍ程度変わると数ｄＢ／ｃｍ以上の変化をす
る場合もある。これを第１表の値と比較すると、ＦＴの
エピタキシャル膜の膜厚変化に関し、この程度のエピタ
キシャル膜の膜厚の範囲では、出力抵抗よりも伝播損失
の影響が支配的であることがわかる。

そこで、以上のような伝播損失の影響を十分に考慮し、
種々の条件のもとて　ＦＴがどのようになるかを求め、
エピタキシャル膜の最適な条件を探した。その結果を第
４図から第１２図までに示す。各図は　ＺｎＯ／ＳｉＯ
２／ｎ−８Ｌ構造の場合について求めたものである。図
中、ｆ　はＳＡＷの周波数、λはＳＡＷの波長、ｈはＺ
ｎＯの膜厚、Ｎｄはドナー密度、Ｎ１はアクセプタ密度
である。ＳｉＯ２の膜厚は０．１　μｍである。

各図は以下の関係を表す。

第４図：エピタキシャル膜の膜厚と　ＦＴの関係ｆ＝２
１５ＭＨｚ、セザワ波、ｎ型半導体、ゲート長２０ＩＩ
Ｉｍ、温度２３℃。

第５図：エピタキシャル膜の膜厚とダイナミックレンジ
の関係 ｆ＝２１５ＭＨｚ、セザワ波、ｎ型半導体。

ゲート長２０ｍｍ、温度２３℃。

第６図：エピタキシャル膜の膜厚と　ＦＴの関係ｆ＝１
００ＭＨｚ、セザワ波、ｎ型半導体、ゲート長２０ｍｍ
、温度２３℃。

第７図：エピタキシャル膜の膜厚と　ＦＴの関係ｆ＝４
００ＭＨｚ、セザワ波、ｎ型半導体、ゲート長２０ｍｍ
、温度２３℃。

第８図：エピタキシャル膜の膜厚と　ＦＴの関係ｆ＝２
１５ＭＨｚ、セザワ波、ｎ型半導体、ゲート長２Ｃ）ｍ
ｍ、温度−２０”Ｃ０第９図：エピタキシャル膜の膜厚
と　ＦＴの関係ｆ＝２１５ＭＨｚ、セザワ波、ｎ型半導
体、ゲート長２０ｍｍ、温度−８０℃。

第１０図：エピタキシャル膜の膜厚と　ＦＴの関係 ｆ　　＝　　２１５ＭＨｚ　、セザワ波、ｎ型半導体、
ゲート長４０＋ａｍ、温度２３℃。

第１１図：エピタキシャル膜の膜厚と　ＦＴの関係 ｆ　　＝　　２００　Ｍ七、レーリー波、ｎ型半導体。

ゲート長２０ｍ＋ａ、温度２３℃。

第１２図：エピタキシャル膜の膜厚と　Ｆｔの関係 ｆ　　＝　　２１５　Ｍ七、セザワ波、ｐ型半導体、ゲ
ート長２０ｍ＋ａ、温度２３℃。

なお、各図の横軸はエピタキシャル膜の膜厚と最大空乏
幅の差を表すが、最大空乏幅は室温（２３℃）における
値である。また、　　Ｆｔの値は、ＦＴが最大となるよ
うなバイアス電圧をゲート電極に印加した時の値である
。

第４図から第１２図までから、ＦＴはエピタキシャル膜
の膜厚の影響を顕著に受け、エピタキシャル膜の膜厚が
大きいほどＦＴが低下することがわかる。その点では、
　ＳＡＷの周波数が異なる場合（第４図、第６図、第７
図）も、温度が異なる場合（第４図、第８図、第９図）
も、ゲート長が異なる場合（第４図、第１０図）も。

ＳＡＷのモードが異なる場合（第４図、第１１図）も、
半導体の導電型が異なる場合（第１２図）も、定性的に
同様な傾向を示す。定量的には、　ＳＡＷの周波数が高
い場合や、温度が高い場合や、ゲートが長い場合には、
エピタキシャル膜の膜厚の影響がより顕著となる。

この結果から、ＦＴを大きくするには、エピタキシャル
膜を成可く薄くした方が良いように思われる。しかし、
第５図に示したように、エピタキシャル膜が薄くなると
ダイナミックレンジが小さくなる。また、第８図に示し
たように、低温ではエピタキシャル膜があまり薄いと、
ＦＴが急激に低下する場合がある。そ九は、低温では空
乏幅が常温の時より広がる性質があるため、空乏端がエ
ピタキシャル膜／高濃度半導体基板界面にくっつき（パ
ンチスルー）、空乏端の振動が阻止されるためである。

これらのことは、式（８）の条件を設定するもう一つの
理由でもある。したがって、エピタキシャル膜は、最大
空乏幅よりある程度は厚くなければならない。しかも、
その厚さは、ＦＴをあまり低下させないような値でなけ
ればならない。

本発明では、そのような適切なエピタキシャル膜の膜厚
Ｌ　として、最大空乏幅Ｗ□つより２μｍ以内の厚さに
選ぶことにする。

Ｌ≦Ｗ□８＋　２　μｍ　　　　・・・・・・・・・（
９）それは、第４図から第１２図までにおいて、Ｌ＞Ｗ
、、ｌａＸ＋２　　μｍの場合には、ＦＴが最大値より
　１０ｄＢ以上低下することがあるためである。また、
温度特性に関しても、第８図と第９図を比較してわかる
ように、　ＬＡＷ□８＋２μｍの場合には、ＦＴの温度
変化が相当に大きなものとなるから、その点でも式（９
）の条件が妥当であると言える。なお、第５図から、式
（９）の条件においてもダイナミックレンジは実用的に
十分な値を有しているから、その点において問題はない
。

以上がエピタキシャル膜の膜厚りの上限を式（１）のよ
うに設定した理由である。

次にエピタキシャル膜の不純物密度の影響に関して見る
と、第４図から第１２図までから１式（１）のエピタキ
シャル膜の膜厚の範囲内では、ＦＴは不純物密度Ｎが小
さいほど大きいことがわかる。しかし、ダイナミックレ
ンジに関しては、第５図から、不純物密度が小さいと、
ダイナミックレンジが小さくなることがわかる。　Ｎ＜
ＩＸ　１０”　ａｒｍ−’では、ダイナミックレンジは
３０ｄＢオーダになり、実用上不十分な値である。

一方Ｆ丁はＮが大きくなると低下し、　Ｎ＞　Ｉ　　Ｘ
　　ｌ　０１６ｃｍ−’では、−６０ｄＢ、程度以下と
なる。その値は、（圧電膜／半導体）構造の利点である
高いＦＴという本来の特長から言って、低く過ぎる値で
ある。よって、不純物密度としては、次の範囲内に選ぶ
のが望ましい。

Ｌ　　Ｘ　　１０１１０ｌ３’≦Ｎ≦　Ｉ　　Ｘ　　１
０１６Ｃｍ−’以上が、不純物密度を式（４）のように
選択する理由である。

以上によって本発明におけるエピタキシャル膜の条件（
Ａ）、（Ｂ）の説明がなされた。

次に、本発明の基本的な考え方をエピタキシャル半導体
基板を用いた別の構造のＳＡＷコンボルバに適用し、そ
の場合のエピタキシャル膜の条件を示す。

前述したように条件（Ａ）、（Ｂ）は、第１５図の構造
のコンボルバのエピタキシャル膜の膜厚の条件を示した
ものであるが、第１５図の構造をさらに発展させたもの
として、第１３図の構造のコンボルバも可能である。第
１３図に示す構造は無バイアスで動作可能なコンボルバ
であることを、すでに本発明者は見出しており（昭和６
０年９月１３日出願、特願昭６０−２０２８４５　　ｒ
弾性表面波装置」）、実用的に大変有用な構造である。

ここでは、半導体エピタキシャル膜は第１半導体エピタ
キシャル膜９−１　と第２半導体エピタキシャル膜９−
２から成っている。第１半導体エピタキシャル膜９−１
　と高濃度半導体基板１は同じ型の半導体とし、第２半
導体エピタキシャル膜９−２はそれらと反対導電型の半
導体とする。第１半導体エピタキシャル膜９−１がｎ型
であれば、第２半導体エピタキシャル膜９−２はｐ型に
し、逆に第１半尊体エピタキシャル膜９−１　がｐ型で
あれば、第２半導体エピタキシャル膜９−２はｎ型にす
る。第１５図に示す構造との違いは、エピタキシャル膜
の部分に異なる導電型の第２半導体エピタキシャル膜９
−２が設置されていることである。通常、第２半導体エ
ピタキシャル膜９−２は、イオン注入によって形成さ九
、その部分の厚さは、第１半導体エピタキシャル膜９−
１　の厚さより可成り小さい値に設定される。さらに、
第２半導体エピタキシャル膜９−２　の不純物密度と厚
さは、ゲート電極８　に印加されるバイアスがＯｖの時
、第２半導体エピタキシャル膜９−２の部分全体が空乏
化するような値に設定される。この構造はバイアスがＯ
ｖの時に最良に動作するように意図されている。したが
って、このコンボルバの動作時には、空乏端の位置は、
第１半導体エビタキシャル膜９−１　の中に存在すると
考えてよい。

さて、Ｆｔは、前述したように、主として非線型定数　
γ２と　ＳＡＷの伝播損失　α　によって決定され、特
にエピタキシャル膜の膜厚の影響は伝播損失αの影響を
支配的に受ける。一方、第１３図の構造の場合には、上
述したように、コンボルバの動作時において、空乏端の
位置は、第１半導体エピタキシャル膜９−１　の中に存
在する。

ところで、非線型定数　γ２は、空乏端の位置における
不純物密度Ｎによって決定され、前述した式（６）の関
係で表わされる。さらに、ＳＡＷの伝播損失は、主に、
空乏端から先の半導体内部のエネルギ損失によって決定
される（空乏領域乃至弱反転領域では）。したがって、
以上のことを考えれば、第１３図の構造の場合にも、Ｆ
Ｔは主に第１半導体エピタキシャル膜９−１　によって
決定され、ＦＴのエピタキシャル膜の膜厚に対する依存
性も、第１半導体エピタキシャル膜９−１の不純物密度
と、その中にある空乏端の位置とエピタキシャル膜の膜
厚の関係で決定されると考えてよい。

したがって、第１３図の場合のエピタキシャル膜の膜厚
の条件も、第１５図の場合の条件と同様に、最大空乏幅
との関係で、式（１）のように設定するのが適切である
。

ただし、第１３図の構造の場合には、第１５図２の場合
と異なり、第２半導体エピタキシャル暎９−２　が存在
するので、最大空乏幅Ｗ□、の表式は式（２）とは異な
る。第２半導体エビタヤシャル膜　９−２　の層厚を　
１□とすると、　Ｗ　ｍ　ａ　ｘは次の範囲に存在する
。

１２　＜　Ｗｖ＋＋ａｘ≦　１２＋Ｗｍ　　　・−−−
−・・−（１０）Ｗｍは、第１半導体エピタキシャル膜
９−１　のみが存在するときの最大空乏幅であり、次式
で表わされる ただし、　　Ｎｌは第１半導体エピタキシャル膜９−１
　の不純物密度であり、他のパラメータは式（２）の説
明で示したものと同じである。

したがって、第１３図の構造の場合のエピタキシャル膜
の膜厚の条件は、次のように設定するのが適切である。

（Ｃ）第１３図の構造の場合のエピタキシャル膜の膜厚
しは次のように設定される。

１２くＬ≦１２　＋　Ｗｌｌｌ　＋２μｍ−−（１２）
ここで、　１２は第２半導体エピタキシャル膜９−２　
の層厚であり、Ｗｌは式（１１）で与えられる。

また、前述のように、第１３図の構造の場合のＦＴは、
主に第１半導体エピタキシャル膜９−１によって決定さ
れるので、エピタキシャル膜の不純物密度の条件として
、式（４）と同様に、以下のように選定するのが適切で
ある。

（Ｄ）第１３図の構造で。半導体としてＳｉを用いた時
、エピタキシャル膜の膜厚Ｌ　を式（１２）を満足する
ように選び、さらに第１半導体エピタキシャル膜９−１
　の不純物密度Ｎ。

を次式の範囲内に選ぶ。

Ｉ　Ｘ　１０”ａｍ−’≦Ｎ１≦ｌ　Ｘ　１０１６ｃｍ
−’−（１３）なお、以上の条件（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ
）、（Ｄ）は。

第１５図および第１３図の構造に対して設定されたもの
であるが、第１５図と第１３図のうち、絶縁体２　が存
在しない構造も可能である。絶縁体２　は通常極めて薄
く形成されるので、絶縁体２が無い場合にも、　　ＳＡ
Ｗの伝播モードや半導体側に洩れるポテンシャルの大き
さは絶縁体２　がある場合と大差がない。したがって、
第１５図および第１３図の構造において絶縁体２　が存
在しない構造の場合でも、条件（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）
。

（Ｄ）を設定することは極めて有用である６Ｈ０発明の
詳細 な説明した通り、本発明によ九ば、効率が良く、温度特
性も良好なモノリシック　ＳＡＷコンボルバを実現する
ことができる。

本発明によるコンボルバ最適バイアス回路は、ＳＡＷ　
コンボルバを使用する装置全般のほか、相関器、ＳＳＣ
通信機、レーダ、画像処理装置、フーリエ変換器１等で
も使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を説明するためのモノリシックＳＡＷ　
コンボルバの模式的断面図、第２図はドナー密度と最大
空乏幅の関係を示すグラフ、第３図は最大空乏幅と伝播
損失の関係を示すグラフ、第４図から第１２図までは本
発明によるモノリシック　ＳＡＷコンボルバの特性図、
第１３図は本発明の他の一つの実施の態様によるモノリ
シックＳＡＷ　コンボルバの断面図、第１４図および第
１５図は二つの異なった従来のモノリシックコンボルバ
の構造を示す断面図である。 １・・・・・・・・・高濃度半導体基板、２・・・・・
・・・・絶縁体、３・・・・・・・・・圧電膜、４．４
′・・・・・・・・・入力、５．５’・・・・・・・・
櫛形電極、６・・・・・・・・・出力、７・・・・・・
・・・裏面電極、８・・・・・・・・・ゲート電極、９
・・・・・・・・・半導体エピタキシャル膜、９−１・
・・・・・・・・第１半導体エピタキシャル膜、９−２
・・・・・・・・・第２半導体エピタキシャル膜、１０
・・・・・・・・・空乏端、１１・・・・・・・・・最
大空乏端。 Ｎａ・・・・・・・・・エピタキシャル膜のドナー密度
、Ｎ１・・・・・・・・・エピタキシャル膜の７クセブ
タ密度、Ｌ・・・・・・・・・エピタキシャル膜の膜厚
、Ｗ　ｍ　ａ　ｘ・・・・・ハ・・最大空乏幅、Ｗ・・
・・・・・・・空乏幅、ｈ・・・・・・・・・圧電膜の
膜厚、ｆ・・・・・・・・・弾性表面波（ＳＡＷ　）の
周波数、λ・・・・・・・・・ＳＡＷの波長、Ｖａ・・
・・・・・・・バイアス電圧。 特許出願人　クラリオン株式会社 １　口 第２図 最大空乏幅ヒ不糺物２度０開係 ド°ナー慴ヌｉ（ａｍ） 第３図 エピタキシダル展の門と 最火室３５嘔の差と有濱番順欠の関係 工し′ヅぎ偽ル腋のｐＪ糺凍−畳大父乏幅（μｍ）第４
図 ＦＴ　（ｄＢｍ）　　　　　　　　　２３″Ｃ工ｒタ大
シＸル腫の腫１−号大空え悟　（μｍ）第５図 エビク考シＸル履Ｑ晩厚と ヅイナをツクレンジの関係 Ｑ　　　１　　２３４５６７　　８ 工じ°夕をシイ】し号愛の瑚Ｕ家−（暮入り歩ヒ幅　　
（μｍ）第６図 工じりへシＸル腹の則ヒＦ、ｎ間（１ 工じ゛タ代麹ル腹の層厚−最犬空氏幅　ｍｍ）第７図 エビ５をシにル原州ス厚乙ＦｙＯ関係 工ｌニジキシ４ル腹の！−ｊｉ’を火室長幅（μｍ）第
８図 工ビタＡジベル１Ｒ戸の月Ｖ！とＦｒの関係エビ゛りへ
シに】し月更の１１！−ｆ＆欠咬ジ芝↑昌　　（μｍ）
第８図 工に°タ楔シＸル、梗の、襲凰とＦＴの醍「系エヒ゛プ
ベジスル榎の原理−鍛文空チＴ＆（μｍ）第１０図 エピタキシにル腹のＨ（ｎ　Ｆ　ｔ　（ｆ）関係１じ゛
ｊ★シ縛ル月更の、球楚厚−分人ｑラヒ、中晶（μｍ）
第１１図 エピタヘシペル原の１す東のＦｒの関係工ビヲ穴シーＷ
Ｊし角質の版厚−叢ｆ：、空く幅ψｍ）第１２図 工じ゛タキン＾ル股の月５１月？、とＦＴの関係二ヒ゛
り考シギル月費の苅むｑ−呈プ（、“３＝５と、鴨（、
ｃａｍ）第１３図 手続補正書 昭和６２年６月／ご日

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電膜／絶縁体／半導体エピタキシャル膜／高濃
   度半導体基板構造を有するモノリシックＳＡＷコンボル
   バにおいて、 上記半導体エピタキシャル膜の膜厚Ｌが、下記の範囲に
   あることを特徴とする弾性表面波コンボルバ。 Ｗ＿ｍ＿ａ＿ｘ＜Ｌ≦Ｗ＿ｍ＿ａ＿ｘ＋２μｍここでＷ
   ＿ｍ＿ａ＿ｘは最大空乏幅であり、次式で与えられる。 Ｗ＿ｍ＿ａ＿ｘ＝√（４ε＿ｓｋＴｌｎ（Ｎ／ｎ＿ｉ）
   ／ｅ＾２Ｎ）Ｎ：エピタキシャル膜の不純物密度、 ｎ＿ｉ：エピタキシャル膜の真性キャリア密度。 ε＿ｓ：エピタキシャル膜の誘電率、 ｋ：ボルツマン定数、 ｅ：電子の電荷、 Ｔ：絶対温度。
2. （２）上記半導体がＳｉであり、かつ上記エピタキシャ
   ル膜の不純物密度Ｎが下記の範囲１×１０＾１＾３ｃｍ
   ＾−＾３≦Ｎ≦１×１０＾１＾６ｃｍ＾−＾３にあるこ
   とを特徴とする、特許請求の範囲第１項記載の弾性表面
   波コンボルバ。
3. （３）上記半導体がＧａＡｓであることを特徴とする、
   特許請求の範囲第１項記載の弾性表面波コンボルバ。
4. （４）上記絶縁体がＳｉＯ＿２であることを特徴とする
   、特許請求の範囲第１項から第３項までのいずれか一つ
   に記載の弾性表面波コンボルバ。
5. （５）上記圧電膜がＺｎＯであることを特徴とする、特
   許請求の範囲第１項から第４項までのいずれか一つに記
   載の弾性表面波コンボルバ。
6. （６）上記圧電膜がＡｌＮであることを特徴とする、特
   許請求の範囲第１項から第４項までのいずれか一つに記
   載の弾性表面波コンボルバ。
7. （７）弾性表面波の伝播モードがセザワ波であることを
   特徴とする、特許請求の範囲第２項、第４項、または第
   ５項記載の弾性表面波コンボルバ。
8. （８）Ｓｉの面方位が（１１０）であり、弾性表面波の
   伝播方向が［１００］であることを特徴とする、特許請
   求の範囲第７項記載の弾性表面波コンボルバ。
9. （９）Ｓｉの面方位が（１００）であり、弾性表面波の
   伝播方向が［１１０］であることを特徴とする、特許請
   求の範囲第７項記載の弾性表面波コンボルバ。
10. （１０）圧電膜／絶縁体／第２半導体層／第１半導体層
    ／高濃度半導体基板構造を有するモノリシックＳＡＷコ
    ンボルバにおいて、 上記第２半導体層と第１半導体層が互いに反対導電型の
    半導体エピタキシャル膜であり、かつ上記半導体エピタ
    キシャル膜の膜厚Ｌが下記の範囲にあることを特徴とす
    る弾性表面波コンボルバ。 ｌ＿２＜Ｌ≦ｌ＿２＋Ｗ＿ｍ＋２μｍ ここでｌ＿２は第２半導体層の層厚であり、Ｗ＿ｍは次
    式で与えられる。 Ｗ＿ｍ＝√（４ε＿ｓｋＴｌｎ（Ｎ＿１／ｎ＿ｉ）／（
    ｅ＾２Ｎ＿１）Ｎ＿１：第１半導体層の不純物密度、 ｎ＿ｉ：第１半導体層の真性キャリア密度、ε＿ｓ：第
    １半導体層の誘電率、 ｋ：ボルツマン定数、 ｅ：電子の電荷の大きさ、 Ｔ：絶対温度。
11. （１１）上記半導体がＳｉであり、かつ上記エピタキシ
    ャル膜の不純物密度Ｎ＿１が下記の範囲 １×１０＾１＾３ｃｍ＾−＾３≦Ｎ＿１≦１×１０＾１
    ＾６ｃｍ＾−＾３にあることを特徴とする、特許請求の
    範囲第１０項記載の弾性表面波コンボルバ。
12. （１２）上記半導体がＧａＡｓであることを特徴とする
    、特許請求の範囲第１０項記載の弾性表面波コンボルバ
    。
13. （１３）上記絶縁体がＳｉＯ＿２であることを特徴とす
    る、特許請求の範囲第１０項から第１２項までのいずれ
    か一つに記載の弾性表面波コンボルバ。
14. （１４）上記圧電膜がＺｎＯであることを特徴とする、
    特許請求の範囲第１０項から第１３項までのいずれか一
    つに記載の弾性表面波コンボルバ。
15. （１５）上記圧電膜がＡｌＮであることを特徴とする、
    特許請求の範囲第１０項から第１３項までのいずれか一
    つに記載の弾性表面波コンボルバ。
16. （１６）弾性表面波の伝播モードがセザワ波であること
    を特徴とする、特許請求の範囲第１１項、第１３項、ま
    たは第１４項記載の弾性表面波コンボルバ。
17. （１７）Ｓｉの面方位が（１１０）であり、弾性表面波
    の伝播方向が［１００］であることを特徴とする、特許
    請求の範囲第７項記載の弾性表面波コンボルバ。
18. （１８）Ｓｉの面方位が（１００）であり、弾性表面波
    の伝播方向が［１１０］であることを特徴とする、特許
    請求の範囲第７項記載の弾性表面波コンボルバ。
19. （１９）上記絶縁体が実質上存在しないことを特徴とす
    る、特許請求の範囲第１項から第１８項までのいずれか
    一つに記載の弾性表面波コンボルバ。